姜 琴，耿 鵬，張 雯，陳志鋼

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

1 前 言

根據(jù)《2020年全球癌癥統(tǒng)計(jì)》報(bào)告，2020年全球約有1810萬例新發(fā)癌癥、近1000萬癌癥病患逝世[1]，且隨著人口老齡化加劇，人們患癌幾率增加，癌癥的致死率也將不斷上升。現(xiàn)階段，癌癥的臨床一線治療方法仍以手術(shù)、化療和放療為主。然而，這些方法通常會(huì)導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)、多藥耐藥性和免疫系統(tǒng)損傷等嚴(yán)重的副作用。近20年來，納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)，特別是癌癥診療[2]，帶來了新的曙光。其中，基于納米材料的光動(dòng)力、光熱等新型治療方法[3]已經(jīng)發(fā)展成為一種可行的治療方案，用以克服傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。光動(dòng)力/光熱治療是利用可見光或近紅外光激發(fā)納米材料產(chǎn)生毒性活性氧(reactive oxygen species, ROS)或高溫，從而殺死腫瘤細(xì)胞[4]，具有治療時(shí)間短、效果顯著和副作用小等優(yōu)點(diǎn)，已在臨床淺表腫瘤治療方面取得良好的治療效果。然而，由于光的穿透深度有限、能量衰減快，光動(dòng)力/光熱療法還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)深部腫瘤的高效治療。大部分腫瘤(例如肺癌、胃癌、卵巢癌和胰腺癌等)往往生長在組織深處，使得光源在到達(dá)腫瘤前就被人體組織強(qiáng)烈吸收或散射，從而導(dǎo)致治療效果不明顯。因此，開發(fā)能夠高效治療深部腫瘤的新方法具有十分重要的意義。

眾所周知，超聲波是一種周期性振蕩且頻率高于人聽力的機(jī)械波，具有強(qiáng)大的組織穿透能力[5]，穿透深度可高達(dá)10 cm，因此近年來利用超聲波治療深部腫瘤吸引了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。超聲波驅(qū)動(dòng)的聲動(dòng)力治療不僅穿透力強(qiáng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)無創(chuàng)地靶向病灶組織和部位，而且所使用的超聲波強(qiáng)度低，長時(shí)間治療也不會(huì)對(duì)周圍正常組織造成損傷，因而在臨床深部腫瘤治療中展示出巨大的潛力[6]。其原理是[7]：將聲敏劑富集在腫瘤處，低強(qiáng)度的超聲波激發(fā)聲敏劑使其處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的聲敏劑與腫瘤組織的氧氣作用，產(chǎn)生羥基自由基(·OH)、超氧化物陰離子(·O2-)和單線態(tài)氧(1O2)等ROS；超聲波引起空化效應(yīng)，以聲致發(fā)光的形式釋放能量，釋放的能量會(huì)使空化效應(yīng)形成的微泡破裂，產(chǎn)生高溫高壓，通過熱或流體剪切力破壞細(xì)胞骨架，從而導(dǎo)致細(xì)胞壞死；腫瘤組織自身吸收部分機(jī)械能并釋放出熱量，造成細(xì)胞熱損傷。除此之外，空化效應(yīng)還會(huì)進(jìn)一步激發(fā)聲敏劑產(chǎn)生ROS，生成的ROS通過氧氣脂質(zhì)損傷細(xì)胞器及DNA，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡(圖1)。

圖1 聲動(dòng)力治療機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanisms ofsonodynamic therapy

聲動(dòng)力治療的核心是開發(fā)安全、高效的聲敏劑。目前已報(bào)道的聲敏劑可以分為3類[8]，分別是有機(jī)分子、無機(jī)納米和有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑。不同類型的聲敏劑各自具有很多優(yōu)越的性能，在惡性腫瘤的聲動(dòng)力治療中取得了令人鼓舞的發(fā)展。有機(jī)分子聲敏劑的ROS量子產(chǎn)率高[9]；無機(jī)納米聲敏劑具有可調(diào)的物理化學(xué)性質(zhì)和較高的穩(wěn)定性[10]；有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑大的比表面積使其能夠攜帶其他診療試劑，更容易實(shí)現(xiàn)聲動(dòng)力和其他治療模式的聯(lián)合治療[11]。本文重點(diǎn)介紹3類聲敏劑的最新研究進(jìn)展，評(píng)價(jià)其用于腫瘤聲動(dòng)力治療的治療效果，最后指出當(dāng)前聲動(dòng)力治療存在的挑戰(zhàn)和未來走向臨床應(yīng)用的發(fā)展方向。

2 聲敏劑的研究進(jìn)展

2.1 有機(jī)分子聲敏劑

有機(jī)分子聲敏劑大多來源于光敏劑。目前已報(bào)道的有機(jī)分子聲敏劑包括卟啉、玫瑰紅、姜黃素、金絲桃素等化合物及其衍生物[12]。卟啉家族如血卟啉、原卟啉、血卟啉單甲醚和華卟啉鈉等具有大的π-π共軛體系和豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖2)，能夠在整個(gè)可見電磁波譜中吸收能量，快速產(chǎn)生ROS。其中，Photofrin?和Visudyne?卟啉分子已經(jīng)進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)，被批準(zhǔn)用于治療各種癌癥，因此卟啉在聲動(dòng)力治療中具有巨大的應(yīng)用潛力[13]。早在1989年，日本東邦大學(xué)Yumita等[14]首次報(bào)道了血卟啉在1.92 MHz的超聲波輻射下可以產(chǎn)生明顯的細(xì)胞毒性作用；隨后，他們又在荷瘤小鼠模型中評(píng)估了血卟啉的聲動(dòng)力治療效果，發(fā)現(xiàn)血卟啉產(chǎn)生細(xì)胞毒性的原因與ROS的生成有關(guān)[15]。2009年，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)吳長君研究組[16]發(fā)現(xiàn)，血卟啉單甲醚在超聲波輻射下不僅能產(chǎn)生ROS，而且能增強(qiáng)caspase-3和caspase-9等促凋亡蛋白和抑制Bcl-2抗凋亡蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞凋亡。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用1 MHz的超聲波輻射120 s，血卟啉單甲醚即可殺死～72.6%的膠質(zhì)瘤細(xì)胞。

圖2 血卟啉、原卟啉、血卟啉單甲醚和華卟啉鈉的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical structures ofhematoporphyrin, protoporphyrin IX, hematoporphyrin monomethyl ether, and sinoprotoporphyrin sodium

華卟啉鈉是從Photofrin衍生出來的一種新型聲敏劑。與Photofrin相比，華卟啉鈉具有更高的活性和更低的暗毒性，其使用劑量僅為Photofrin的十分之一，目前已被批準(zhǔn)在中國進(jìn)行臨床前試驗(yàn)。研究表明，華卟啉鈉可以被超聲波有效激活，在多個(gè)異植瘤模型中都能抑制腫瘤生長。由于華卟啉鈉有2個(gè)羧酸鈉修飾的卟啉環(huán)，能夠優(yōu)先被腫瘤細(xì)胞攝取、選擇性地聚集在腫瘤組織，因而華卟啉鈉在聲動(dòng)力治療腫瘤中受到了科學(xué)家們的高度關(guān)注。2021年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)胡錚研究組[17]系統(tǒng)地評(píng)估了原卟啉、血卟啉單甲醚和華卟啉鈉在缺氧情況下的聲動(dòng)力效應(yīng)。在相同物質(zhì)的量濃度下，華卟啉鈉產(chǎn)生ROS的速率分別是原卟啉的1.48倍、血卟啉單甲醚的15.3倍。更重要的是，即使在完全無氧的條件下，華卟啉鈉經(jīng)超聲波輻射后也能產(chǎn)生ROS，因此其在缺氧環(huán)境下治療腫瘤方面顯示出更大的優(yōu)勢(shì)。盡管有機(jī)分子聲敏劑具有優(yōu)異的聲動(dòng)力效應(yīng)，但大部分有機(jī)分子聲敏劑都是疏水的，在水溶液中容易發(fā)生聚集，高濃度聚集不僅會(huì)造成自淬滅效應(yīng)，降低ROS量子產(chǎn)率，而且會(huì)導(dǎo)致聲敏劑血液循環(huán)時(shí)間短、腫瘤富集效率低，這些問題限制了有機(jī)分子聲敏劑在臨床癌癥治療中的應(yīng)用[18]。

為了解決有機(jī)分子聲敏劑的溶解性問題，科學(xué)家們通過封裝或化學(xué)偶聯(lián)的方法，將有機(jī)分子聲敏劑與生物相容的納米載體結(jié)合，發(fā)展了聲敏劑遞送納米系統(tǒng)。納米載體不僅可以有效改善有機(jī)分子聲敏劑的水溶性，提高其在血液中的循環(huán)時(shí)間；還可以通過增強(qiáng)滲透與保留效應(yīng)或主動(dòng)靶向作用，將聲敏劑高效遞送到腫瘤處[19]。迄今為止，用來遞送有機(jī)分子聲敏劑的納米材料有脂質(zhì)體、蛋白質(zhì)和聚合物納米顆粒等[20]。2019年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳雨研究組[21]使用脂質(zhì)體作為納米載體，通過反向蒸發(fā)法包封了血卟啉單甲醚和咪喹莫特這2種疏水性分子。制備的納米顆粒動(dòng)力學(xué)直徑約為157.3 nm，能在水溶液中均勻分散。細(xì)胞攝取和聲動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脂質(zhì)體包封后的納米顆粒進(jìn)入小鼠乳腺癌細(xì)胞的效率最高且殺傷效果最好，并且殺傷率顯著高于血卟啉單甲醚分子。陳航榕研究組[22]將轉(zhuǎn)鐵蛋白和原卟啉偶聯(lián)，轉(zhuǎn)鐵蛋白-原卟啉偶聯(lián)物在水溶液中自組裝形成納米顆粒(圖3a和3b)。由于轉(zhuǎn)鐵蛋白和原卟啉都是內(nèi)源性物質(zhì)，因此制備的納米顆粒具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，能在超聲波輻射下有效產(chǎn)生ROS(圖3c)。在轉(zhuǎn)鐵蛋白的介導(dǎo)下，納米顆粒高效富集在腫瘤部位，通過細(xì)胞間連續(xù)傳遞實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤組織的深度穿透和高效治療(圖3d)。2022年，澳門大學(xué)陳美婉課題組[23]設(shè)計(jì)并合成了含卟啉的共軛聚合物，該聚合物在超聲輻射后不僅可以實(shí)現(xiàn)聲動(dòng)力治療，而且還能誘導(dǎo)腫瘤相關(guān)的抗原釋放，促進(jìn)樹突細(xì)胞成熟和T細(xì)胞活化。更重要的是，將聚合物納米材料和免疫檢查點(diǎn)抑制劑(抗CD47抗體)連用，能誘發(fā)機(jī)體的免疫反應(yīng)，顯著抑制腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。盡管納米載體可以有效克服有機(jī)分子聲敏劑水溶性差的缺陷，改善血液循環(huán)，提高其在腫瘤部位的富集，然而需要說明的是，這些納米材料到達(dá)腫瘤部位后，材料中較高的聲敏劑濃度仍會(huì)導(dǎo)致其自淬滅，從而降低整體材料的聲動(dòng)力性能，降低治療效果[24]。

圖3 轉(zhuǎn)鐵蛋白-原卟啉納米顆粒用于腫瘤的聲動(dòng)力治療[22]：(a)轉(zhuǎn)鐵蛋白-原卟啉納米顆粒的形成示意圖，(b)納米顆粒的TEM照片，(c)納米顆粒的活性氧(ROS)生成的電子自旋共振(ESR)譜圖，(d)聲動(dòng)力治療后小鼠的照片F(xiàn)ig.3 Transferrin-PpIX nanoparticles for sonodynamic therapy of tumors[22]: (a) schemetaic diagram for the formation of Transferrin-PpIX nanoparticles, (b) TEM image of nanoparticles, (c) ESR spectra of ROS generation of nanoparticles, (d) photos of mice after sonodynamic therapy

對(duì)有機(jī)分子聲敏劑來說，理想的聲動(dòng)力治療過程是：聲敏劑先通過自組裝形成納米材料，經(jīng)靜脈注射到體內(nèi)后，納米結(jié)構(gòu)能夠防止聲敏劑提前泄露，改善聲敏劑的水溶性和血液循環(huán)。而當(dāng)納米材料到達(dá)腫瘤部位后，通過腫瘤部位的某些特定刺激發(fā)生解組裝，釋放聲敏劑，從而消除聲敏劑因局部高濃度造成的自淬滅效應(yīng)，獲得高的聲動(dòng)力性能?；诖耍髡哒n題組[25]以血卟啉單甲醚為聲敏劑模型，設(shè)計(jì)并合成了能夠“按需組裝和解組裝”的卟啉納米顆粒。首先通過酰胺化反應(yīng)將血卟啉單甲醚和透明質(zhì)酸連接，制備卟啉-透明質(zhì)酸結(jié)合物；然后將結(jié)合物與過氧化氫酶混合，利用結(jié)合物和過氧化氫酶之間的相互作用，在中性pH下自組裝制備了尺寸約為100 nm的納米顆粒(CAT@HA-HMME，圖4a)。制備的納米顆粒不僅具有良好的水溶性和生物相容性，還能在血液中循環(huán)更長的時(shí)間(圖4b和4c)，其血液半衰期(t1/2= 4.17 h)是血卟啉單甲醚分子(～0.82 h)的5.08倍。更重要的是，納米顆粒富集在腫瘤部位，在透明質(zhì)酸的靶向牽引下進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，細(xì)胞內(nèi)的透明質(zhì)酸酶能夠水解納米顆粒中的透明質(zhì)酸，使之降解成寡聚糖，從而使得納米顆粒發(fā)生解組裝，釋放卟啉單體和過氧化氫酶(圖4d)。過氧化氫酶進(jìn)而催化細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫轉(zhuǎn)化為氧氣，增加了腫瘤內(nèi)的氧氣濃度，釋放的卟啉單體在接收超聲波輻射后展現(xiàn)出遠(yuǎn)高于納米顆粒的ROS量子產(chǎn)率。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CAT@HA-HMME在超聲波輻射下極大地抑制了腫瘤生長，具有高效的抗腫瘤作用，抑瘤率可達(dá)78.1%。通過蘇木精-伊紅染色和血生化指標(biāo)檢測(cè)，作者課題組發(fā)現(xiàn)該納米顆粒具有優(yōu)異的生物安全性。與聲敏劑遞送納米載體相比，這種“按需組裝和解組裝”理念能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有機(jī)分子聲敏劑在腫瘤部位的聲動(dòng)力性能的調(diào)控，同時(shí)為發(fā)展安全、高效、具有應(yīng)用前景的聲敏劑帶來了新的希望。

圖4 按需組裝-解組裝的CAT@HA-HMME納米顆粒用于腫瘤的聲動(dòng)力治療[25]：(a)CAT@HA-HMME 納米顆粒自組裝和解組裝過程的示意圖，(b)血卟啉單甲醚分子的快速清除特征，(c)組裝的CAT@HA-HMME納米顆粒的延長的血液循環(huán)特征，(d)腫瘤細(xì)胞中CAT@HA-HMME納米顆粒的按需解組裝以促進(jìn)聲動(dòng)力治療的示意圖Fig.4 On demand assembly-disassembly CAT@HA-HMME nanoparticles for sonodynamic therapy of tumors[25]: (a) schematic illustration of the assembly and disassembly process of CAT@HA-HMME nanoparticles, (b) HMME molecules with fast clearance feature, (c) the assembled CAT@HA-HMME nanoparticles with longer blood-circulation, (d) schematic illustration of on-demand disassembly of CAT@HA-HMME nanoparticles in tumor cells for boosting sonodynamic therapy

2.2 無機(jī)納米聲敏劑

隨著納米科技的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一些無機(jī)納米材料本身能夠在超聲波輻射下產(chǎn)生ROS，可直接用作聲敏劑。與有機(jī)分子聲敏劑相比，無機(jī)納米聲敏劑具有以下優(yōu)勢(shì)[26]：① 尺寸和形貌可控，可以通過調(diào)節(jié)納米材料的尺寸和形貌參數(shù)來獲得更好的聲動(dòng)力性能；② 化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其ROS的生成速率不易受光漂白現(xiàn)象的干擾；③ 可作為成核點(diǎn)，在超聲空化中促進(jìn)微泡的生成。目前已報(bào)道的無機(jī)納米聲敏劑主要可以分為4類，分別是貴金屬、碳基納米材料、過渡金屬氧化物和半導(dǎo)體化合物。其中，基于貴金屬的無機(jī)納米聲敏劑包括金、銀和鉑等納米材料[27-29]。碳基納米材料如石墨烯和富勒烯等[30]具有高的導(dǎo)電性和大的比表面積，可以分離電子和空穴，在超聲波輻射下產(chǎn)生大量ROS。由于存在豐富的氧缺陷結(jié)構(gòu)，錳和鋅等[31, 32]過渡金屬氧化物經(jīng)超聲波輻射后，均可表現(xiàn)出超高的超聲響應(yīng)性能和ROS量子產(chǎn)率。除此之外，以TiO2為典型代表的半導(dǎo)體無機(jī)納米聲敏劑在超聲波輻射下，能夠快速發(fā)生電子和空穴分離，形成的電子和空穴能夠和周圍組織的氧氣或水分子反應(yīng)，快速產(chǎn)生ROS，因而在聲動(dòng)力治療應(yīng)用中得到迅猛發(fā)展[33]。2011年，日本福岡大學(xué)Harada等[34]最早發(fā)現(xiàn)在TiO2納米材料存在的情況下，使用超聲波輻射黑色素瘤細(xì)胞可使黑色素瘤細(xì)胞的細(xì)胞活力顯著下降。隨后，他們使用含聚烯丙胺的聚乙二醇接枝物修飾TiO2，制備了由TiO2和聚乙二醇組成的核殼型納米膠束[35]。該納米膠束不僅可以提高TiO2納米顆粒在生理狀態(tài)下的分散穩(wěn)定性，還能促進(jìn)TiO2納米顆粒被宮頸癌細(xì)胞攝取，增強(qiáng)其在超聲波輻射下對(duì)宮頸癌細(xì)胞的殺傷效果。2016年，韓國成均館大學(xué)You等[36]設(shè)計(jì)了一種具有長循環(huán)的親水HTiO2納米顆粒，將其經(jīng)靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，可以在腫瘤和肝臟部位選擇性富集。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.5 MHz超聲波輻射330 s后，HTiO2納米顆?？梢杂行б种粕畈扛闻K腫瘤的生長。需要說明的是，盡管TiO2半導(dǎo)體納米材料是一種有效的無機(jī)納米聲敏劑，但純TiO2納米顆粒的帶隙較寬，經(jīng)超聲波輻射后產(chǎn)生的電子和空穴容易快速復(fù)合，制約了其聲動(dòng)力性能。

為提高TiO2無機(jī)納米聲敏劑的聲動(dòng)力性能，科學(xué)家們通過向TiO2中引入氧空位的方法來捕獲超聲波激發(fā)的電子，抑制電子和空穴復(fù)合，從而提高TiO2無機(jī)納米聲敏劑的ROS量子產(chǎn)率。2018年，中國科學(xué)院硅酸鹽研究所陳雨研究組[37]通過鋁熱還原法在TiO2納米晶表面還原生成一層氧空位TiO2-x層，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的B-TiO2-x黑色納米材料，并進(jìn)一步使用聚乙二醇來改善其在體內(nèi)的血液循環(huán)(圖5a)。B-TiO2-x納米材料的直徑約為50 nm(圖5b)，其表面豐富的氧空位有助于促進(jìn)電子和空穴快速分離，因此B-TiO2-x納米材料表現(xiàn)出高效的聲動(dòng)力性能。在1.0 MHz超聲波(功率密度為1.5 W/cm2)輻射下，B-TiO2-x納米材料能夠快速產(chǎn)生ROS, 其ROS的量子產(chǎn)率顯著高于相同濃度的白色TiO2納米晶(圖5c)。同時(shí)，黑色的氧空位TiO2-x層還賦予了納米材料優(yōu)異的光熱性能，其在1064 nm處的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)39.8%。將B-TiO2-x納米材料靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，在聲動(dòng)力治療和光熱治療的協(xié)同作用下，小鼠腫瘤被完全根除且在監(jiān)測(cè)期間無復(fù)發(fā)(圖5d)。

圖5 氧空位的B-TiO2-x納米材料用于腫瘤的聲動(dòng)力協(xié)同光熱治療[31]：(a)鋁熱還原法制備B-TiO2-x及聚乙二醇修飾過程的示意圖，(b)B-TiO2-x納米材料的TEM照片，(c)DPBF和B-TiO2-x納米材料作用后在超聲波輻射下的紫外吸收光譜，(d)采用不同方法治療15 d的4T1荷瘤小鼠及其腫瘤區(qū)域的照片F(xiàn)ig.5 B-TiO2-x nanomaterials with oxygen vacancies for sonodynamic synergistic photothermal therapy of tumors[31]: (a) schematic illustration of the fabrication of B-TiO2-x and the modification of polyethylene glycol, (b) TEM image of B-TiO2-x nanomaterials, (c) UV-vis absorption spectra of DPBF after interaction with B-TiO2-x nanomaterials under ultrasound irradiation, (d) digital photos of 4T1 tumor-bearing mice and their tumor regions after varied treatments at the 15th day

除引入氧空位外，在TiO2納米顆粒中摻雜金屬或形成復(fù)合物也是提高其聲動(dòng)力性能的可行方法。2020年，蘇州大學(xué)程亮研究組[38]通過熱分解合成了超小的Fe摻雜TiO2納米點(diǎn)(Fe-TiO2)，并使用聚乙二醇對(duì)其進(jìn)行表面修飾(圖6a)。Fe摻雜能夠降低TiO2的禁帶寬度，提高電子和空穴的分離效率。他們研究了在不同F(xiàn)e與Ti物質(zhì)的量的比(1∶8、1∶4和1∶1)下合成的Fe-TiO2納米點(diǎn)的聲動(dòng)力性能。盡管這些不同物質(zhì)的量的比的Fe-TiO2納米點(diǎn)具有與純TiO2納米點(diǎn)相似的尺寸(圖6b)，但相比于純TiO2納米點(diǎn)，所有Fe-TiO2納米點(diǎn)均展現(xiàn)出增強(qiáng)的ROS量子產(chǎn)率(圖6c)。同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)，隨著Fe含量的逐漸增加，F(xiàn)e-TiO2納米點(diǎn)的聲動(dòng)力性能先增加后降低，F(xiàn)e與Ti物質(zhì)的量的比為1∶4的Fe-TiO2納米點(diǎn)的聲動(dòng)力性能最好。通過靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，F(xiàn)e-TiO2納米點(diǎn)在超聲波輻射下能夠顯著抑制腫瘤生長(圖6d和6e)。2021年，中山大學(xué)巢暉等[39]將Ir和TiO2復(fù)合，制備了Ir-TiO2復(fù)合納米材料用于聲動(dòng)力治療。修飾在TiO2表面的Ir配合物能夠作為陷阱捕獲超聲激發(fā)的電子，促進(jìn)電子和空穴發(fā)生分離，增強(qiáng)復(fù)合納米材料的聲動(dòng)力性能。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合納米材料的抗腫瘤作用高于純TiO2納米顆粒，應(yīng)用1.0 MHz超聲波(功率密度為1.0 W/cm2)輻射300 s，Ir-TiO2復(fù)合納米材料即可完全抑制腫瘤生長。

圖6 鐵摻雜TiO2納米點(diǎn)用于腫瘤的聲動(dòng)力-化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療[38]：(a)Fe-TiO2納米點(diǎn)制備和聚乙二醇修飾的過程示意圖，(b)Fe-TiO2納米點(diǎn)的TEM照片，(c)DPBF和Fe-TiO2納米點(diǎn)作用后在超聲波輻射下的紫外吸收光譜變化圖，(d)不同方法治療后小鼠體內(nèi)腫瘤體積變化的曲線，(e)治療14 d后各組小鼠的腫瘤照片F(xiàn)ig.6 Fe-doped TiO2 nanodots for sonodynamic-chemodynamic therapy of tumors[38]: (a) schematic illustration of the process of preparation of Fe-TiO2 nanodots and modification of polyethylene glycol, (b) TEM images of Fe-TiO2 nanodots with different feeding ratios obtained via a similar method, (c) the change of UV-vis absorption spectra of DPBF after interaction with Fe-TiO2 nanodots under ultrasound irradiation, (d) curves of tumor volume changes in mice under different treatments, (e) tumor photos of mice in each group after treatments at the 14th day

除典型的無機(jī)納米材料外，近年來還報(bào)道了一些其他新型的無機(jī)納米聲敏劑。2018年，北京化工大學(xué)劉惠玉課題組[40]首次發(fā)現(xiàn)沸石咪唑酸鹽骨架衍生的碳納米材料(圖7a)具有類卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠表現(xiàn)出與卟啉分子相似的超聲響應(yīng)性能。衍生碳納米材料的尺寸約為140 nm (圖7b)，其類卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)在超聲波輻射下能夠形成微泡，輔助增強(qiáng)超聲空化效應(yīng)。當(dāng)衍生碳納米材料的濃度為100 μg/mL時(shí)，衍生碳納米材料經(jīng)超聲輻射后的ROS產(chǎn)率較輻射前增加了203.6%，ROS量子產(chǎn)率明顯高于相同濃度的純多孔碳材料和鋅卟啉化合物(圖7c和7d)。該團(tuán)隊(duì)采用密度泛函理論研究了衍生碳納米材料在超聲波輻射下的能量結(jié)構(gòu)。相比于純多孔碳納米材料和鋅卟啉化合物，衍生碳納米材料的HOMO軌道和LUMO軌道間隙最大(圖7e)，電子和空穴的轉(zhuǎn)移速率最快。在小鼠腫瘤模型中，應(yīng)用超聲波(1 MHz, 1.5 W/cm2)輻射300 s，衍生碳納米材料能夠高效消融腫瘤(圖7f)，抑瘤率高達(dá)85%，并且對(duì)周圍正常組織無損傷。之后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在沸石咪唑酸鹽骨架表面修飾了一層介孔SiO2，依次通過部分刻蝕、原位生長錳和碳化刻蝕，制備了具有雙層中空結(jié)構(gòu)的ZIF-8@MnSiO3碳納米材料[41]。錳的引入不僅能夠提碳納米材料核磁共振成像能力，還可以通過氧化還原反應(yīng)加快電子和空穴的分離，提高ROS生成速率。經(jīng)靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，硅酸錳碳納米材料具有強(qiáng)的核磁共振成像T1信號(hào)，且能夠高效在腫瘤部位富集。體外細(xì)胞和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：與對(duì)照組相比，硅酸錳碳納米材料在超聲波輻射下能夠有效殺傷腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)核磁共振成像指導(dǎo)的聲動(dòng)力治療。此后，越來越多的研究人員開始關(guān)注碳基納米材料，并且許多高性能碳基無機(jī)納米聲敏劑相繼被開發(fā)。

圖7 衍生碳納米材料用于腫瘤的聲動(dòng)力治療[40]：(a)衍生碳納米材料的形成過程示意圖，(b)衍生碳納米材料的TEM照片，比例尺為100 nm，(c)衍生碳納米材料在超聲激發(fā)后產(chǎn)生單線態(tài)氧的電子自旋共振譜圖，(d)衍生碳納米材料在超聲激發(fā)后產(chǎn)生羥基自由基的電子自旋共振譜圖，(e)純多孔碳納米球、衍生碳納米材料和鋅卟啉化合物分子模型的靜電勢(shì)分布，(f)治療18 d后各組小鼠和腫瘤的代表性照片F(xiàn)ig.7 Derived carbon nanomaterials for sonodynamic therapy of tumors[40]: (a) schematic illustration of the formation process of derived carbon nanomaterials, (b) TEM image of derived carbon nanomaterials, the scale bar is 100 nm, (c) ESR spectra of 1O2 generation of nanomaterials upon ultrasound irradiation, (d) ESR spectra of ·OH generation of nanomaterials upon ultrasound irradiation, (e) electrostatic potential profiles of molecular models for porous carbon nanospheres, nanomaterials and zinc porphyrin compounds, (f) representative mice and tumor photos in each group after treatments at the 18th day

需要說明的是，盡管大多數(shù)無機(jī)納米聲敏劑具備臨床轉(zhuǎn)化的潛力，但其長期生物安全性是一個(gè)值得關(guān)注的問題。這些納米材料在體內(nèi)往往不可降解，所以給藥時(shí)必須嚴(yán)控給藥劑量以降低系統(tǒng)毒性，這就要求這些納米材料具有高的聲動(dòng)力性能。因此，仍需開發(fā)性能高、生物安全性好的無機(jī)納米聲敏劑，以促進(jìn)聲動(dòng)力治療的臨床應(yīng)用。

2.3 有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑

除有機(jī)分子聲敏劑和無機(jī)納米聲敏劑外，科學(xué)家們還將有機(jī)和無機(jī)材料結(jié)合起來，發(fā)展了有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑。特別是，由金屬離子/團(tuán)簇和有機(jī)聲敏分子配位形成的金屬有機(jī)框架(metal organic frameworks, MOFs)納米材料具有巨大的應(yīng)用潛力。在聲動(dòng)力治療中，一方面，MOFs中的有機(jī)配體作為連接體，可以通過連接體-金屬簇電荷轉(zhuǎn)移原理吸收能量并激活金屬簇[11]，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，使其快速產(chǎn)生ROS。另一方面，MOFs的多孔結(jié)構(gòu)能夠防止有機(jī)聲敏分子發(fā)生自淬滅，促進(jìn)ROS快速擴(kuò)散，進(jìn)而提高ROS量子產(chǎn)率。除此之外，MOFs具有比表面積大、孔隙率高和表面易于修飾等物理化學(xué)性質(zhì)，有助于MOFs攜帶診療試劑，實(shí)現(xiàn)聲動(dòng)力治療和其他治療模式的聯(lián)合治療。2020年，作者課題組[42]將鐵離子和血卟啉單甲醚結(jié)合，首次制備了一種新型的非晶MOFs聲敏劑(FeCPs)，并將其用作納米載體遞送阿霉素抗腫瘤藥物(圖8a)。FeCPs的平均粒徑約為70 nm(圖8b)，比表面積為75.8 m2/g, 對(duì)阿霉素的載藥率可達(dá)31.3%。在40 kHz超聲波(功率密度為1.75 W/cm2)輻射下，F(xiàn)eCPs即可產(chǎn)生ROS(圖8c)。將磷脂修飾的FeCPs經(jīng)靜脈注射到荷瘤小鼠體內(nèi)，F(xiàn)eCPs在超聲波輻射下能夠有效地破壞瘦肉組織屏障覆蓋的腫瘤，顯著抑制深部腫瘤的生長(圖8d)。

圖8 鐵血卟啉MOFs納米材料用于腫瘤的聲動(dòng)力和化療的聯(lián)合治療[42]：(a)DOX@FeCPs的合成過程示意圖，(b)FeCPs的TEM照片，(c)BPDF和FeCPs作用后在超聲波輻射下的紫外吸收光譜圖，(d)治療12 d后各組小鼠腫瘤體積變化的曲線Fig.8 Fe-hematoporphyrin MOFs nanomaterials for the combined treatment of sonodynamic and chemotherapy of tumors[42]: (a) schematic illustration of synthesis procedures of DOX@FeCPs, (b) TEM image of FeCPs, (c) UV-vis absorption spectra of DPBF after interaction with FeCPs under ultrasound irradiation, (d) curves of tumor volume changes of mice in each group after treatments at the 12th day

需要指出的是，聲敏劑的高聲動(dòng)力性能并不完全等同于高的治療效果，聲動(dòng)力治療效果不僅依賴聲敏劑，還受到腫瘤微環(huán)境中的底物濃度的影響。當(dāng)聲敏劑在腫瘤部位富集后，其和腫瘤微環(huán)境中的氧氣發(fā)生作用，產(chǎn)生ROS，腫瘤部位的乏氧環(huán)境水平會(huì)限制ROS生成，從而影響聲動(dòng)力治療效果。為解決乏氧問題，同時(shí)提高治療效果，作者課題組[43]利用FeCPs的多孔結(jié)構(gòu)負(fù)載過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶，制備了一種多功能的有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑(FeHF-GOx/CAT)，并用葉酸修飾的聚乙二醇改善其親水性和靶向性。在葉酸的靶向作用下，F(xiàn)eHF-GOx/CAT能夠高效富集在腫瘤部位，并在超聲波輻射下釋放過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶。過氧化氫酶能夠催化腫瘤部位的過氧化氫轉(zhuǎn)化為氧氣，改善腫瘤的乏氧環(huán)境；同時(shí)葡萄糖氧化酶可以消耗腫瘤中的葡萄糖，產(chǎn)生過氧化氫，通過提供充足的底物來進(jìn)一步增強(qiáng)過氧化氫酶的催化速率，因此這種級(jí)聯(lián)酶負(fù)載可以顯著提高ROS生成效率。在荷瘤小鼠模型中，由于級(jí)聯(lián)酶和聲動(dòng)力治療的聯(lián)合作用，F(xiàn)eHF-GOx/CAT展現(xiàn)出優(yōu)于單一聲動(dòng)力治療或饑餓治療的腫瘤抑制效果。此外，作者課題組[44]將具有過氧化氫酶活性的Pt納米顆粒原位生長在載阿霉素MOFs表面，制備了一種可改善氧氣釋放的MOFs聲敏劑用于乏氧腫瘤的聲動(dòng)力和化療聯(lián)合治療。在超聲波輻射下，Pt納米顆粒在腫瘤細(xì)胞內(nèi)催化過氧化氫分解，釋放氧氣。釋放的氧氣不僅能提高ROS量子產(chǎn)率(～4.5倍)，還可以通過下調(diào)乏氧誘導(dǎo)因子α協(xié)同增敏化療。因此，與單一聲動(dòng)力治療相比，該方法通過化療和聲動(dòng)力聯(lián)合治療實(shí)現(xiàn)了高效的腫瘤治療效果。

除乏氧環(huán)境外，腫瘤細(xì)胞內(nèi)還存在大量的谷胱甘肽，谷胱甘肽會(huì)和ROS發(fā)生氧化還原反應(yīng)，清除聲動(dòng)力過程中產(chǎn)生的ROS，從而降低聲動(dòng)力治療效果。因此，消耗谷胱甘肽也是提高治療效果的有效策略之一?；诖?，作者課題組[45]利用Mn3+的強(qiáng)氧化性，設(shè)計(jì)并制備了一種Mn3+和血卟啉單甲醚自組裝的MOFs聲敏劑(Mn(III)-HFs)(圖9a)，并對(duì)其表面進(jìn)行聚乙二醇修飾以改善血液循環(huán)。Mn(III)-HFs納米顆粒的直徑約為95 nm，具有典型的非晶結(jié)構(gòu)(圖9b和9c)。由于Mn3+和谷胱甘肽能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此Mn(III)-HFs納米顆粒能夠消耗腫瘤細(xì)胞內(nèi)的谷胱甘肽，生成Mn2+和氧化型谷胱甘肽(圖9d)，獲得“一石三鳥”的效果：① 谷胱甘肽促進(jìn)Mn(III)-HFs納米結(jié)構(gòu)坍塌，使其可以排出體外，提高納米材料的生物安全性和降解性；② 谷胱甘肽還原生成的二價(jià)錳離子比三價(jià)錳離子具有更好的核磁共振成像能力；③ 谷胱甘肽的消耗和血卟啉單甲醚單體分子的釋放均可促進(jìn)ROS生成，增強(qiáng)聲動(dòng)力治療效果(圖9e和9f)。Mn(III)-HFs納米顆粒經(jīng)靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，能夠進(jìn)行高對(duì)比度的T1/T2雙模態(tài)核磁共振成像。同時(shí)在1 MHz超聲波(2.5 W/cm2)輻射下，Mn(III)-HFs納米顆粒具有良好的腫瘤抑制能力，能夠抑制瘦肉組織屏障覆蓋下的腫瘤的生長(圖9g)。

圖9 谷胱甘肽消耗的錳血卟啉MOFs納米材料用于腫瘤的聲動(dòng)力治療[45]：(a)Mn(III)-HFs組裝過程示意圖，(b，c)Mn(III)-HFs的TEM照片，(d)谷胱甘肽(作為密鑰)解鎖Mn(III)-HFs/PEG的示意圖，(e，f)谷胱甘肽解鎖Mn(III)-HFs/PEG增強(qiáng)核磁共振成像和ROS生成，(g)治療11 d后各組小鼠腫瘤蘇木精與伊紅染色的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.9 Glutathione depleting Mn-hematoporphyrin MOF nanomaterials for sonodynamic therapy of tumors[45]: (a) scheme showing the assembling process of Mn(III)-HFs, (b, c) TEM images of Mn(III)-HFs, (d) schematic illustration of the unlocking of Mn(III)-HFs/PEG using glutathione, (e, f) glutathione-depletion-enhanced magnetic resonance imaging and ROS generation of Mn(III)-HFs, (g) optical microscope photos of hematoxylin and eosin-staining tumors of mice in each group after treatments at the 11th day

盡管腫瘤微環(huán)境諸如低pH值、過量的谷胱甘肽等可以促進(jìn)MOFs聲敏劑在體內(nèi)的快速降解，提高M(jìn)OFs聲敏劑的生物安全性，但大多數(shù)MOFs聲敏劑和腫瘤微環(huán)境作用后降解成單體分子，這些單體分子往往積累在肝、脾、肺等網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)，對(duì)正常組織或器官的長期安全性仍存在潛在的威脅。為進(jìn)一步提高M(jìn)OFs聲敏劑的生物安全性，作者課題組[46]又通過兩步超聲法合成了一種超小尺寸的MOFs納米點(diǎn)(GdHF-NDs)。第一步，將含有Gd3+和血卟啉單甲醚分子的混合溶液置于水浴中，通過水浴超聲使Gd3+和血卟啉單甲醚共價(jià)配位自組裝形成配位聚集體(GdHF-A, ～400 nm)；第二步，采用探針超聲法將GdHF-A聚集體進(jìn)行超聲剝離，獲得尺寸約為5 nm的GdHF-NDs超小納米點(diǎn)(圖10a和10b)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的超聲波輻射條件下，制備的GdHF-NDs納米點(diǎn)比GdHF-A聚集體能夠更高效地產(chǎn)生ROS，其ROS量是后者的2.3倍(圖10c和10d)。由于釓離子具有7個(gè)不成對(duì)電子，順磁性強(qiáng)，因此，GdHF-NDs納米點(diǎn)經(jīng)靜脈注射到荷瘤小鼠體內(nèi)后，能夠?qū)崿F(xiàn)核磁共振成像指導(dǎo)的聲動(dòng)力治療，有效抑制腫瘤的生長(圖10e)。更重要的是，GdHF-NDs納米點(diǎn)具有小尺寸效應(yīng)，可以通過腎臟途徑快速地代謝出體外。尿液分析結(jié)果表明：GdHF-NDs納米點(diǎn)在體內(nèi)不會(huì)分解，而是通過腎臟途徑經(jīng)尿液和糞便從小鼠體內(nèi)排出(圖10f)。值得指出的是，GdHF-NDs納米點(diǎn)對(duì)血液、肝臟和腎臟等沒有副作用，有效避免了因藥物積累引發(fā)的長期毒性。該納米點(diǎn)為制備安全和高效的聲敏劑提供了一個(gè)新的范例。

圖10 腎臟可快速清除的釓血卟啉MOFs納米點(diǎn)用于腫瘤的聲動(dòng)力治療[46]：(a)探針超聲法制備GdHF-NDs的示意圖，(b)GdHF-NDs的TEM照片，(c) GdHF-NDs和GdHF-A在超聲激發(fā)下產(chǎn)生ROS，(d)相同條件下，GdHF-NDs比GdHF-A產(chǎn)生更多ROS的示意圖，(e)小鼠和腫瘤體積的照片，(f)GdHF-NDs在尿液和糞便的生物分布Fig.10 Ultrasmall gadolinium-hematoporphyrin MOFs nanodots with rapid renal clearance for sonodynamic therapy of tumors[46]: (a) scheme showing the preparation of GdHFs via a probe sonication route, (b) TEM image of GdHF-NDs, (c) ROS generation of GdHF-NDs and GdHF-A upon ultrasound irradiation, (d) schematic illustration of GdHFs-NDs generating more ROS than GdHF-A under the same conditions, (e) photos of mice and tumor volumes, (f) biodistribution of GdHF-NDs in urine and feces

4 結(jié) 語

聲動(dòng)力治療是利用超聲波激發(fā)腫瘤部位的聲敏劑產(chǎn)生毒性活性氧(ROS)來殺死腫瘤的方法，其核心是聲敏劑。目前，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)展了3類聲敏劑用于腫瘤的聲動(dòng)力治療，包括有機(jī)分子聲敏劑、無機(jī)納米聲敏劑和有機(jī)-無機(jī)雜化納米聲敏劑。這3類聲敏劑在聲動(dòng)力治療方面均取得了顯著進(jìn)展。然而，這些聲敏劑在能夠應(yīng)用于臨床之前，仍然面臨著許多挑戰(zhàn)：① 聲敏劑的生物安全性及其在體內(nèi)的代謝研究仍處于起步階段；② 復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境影響聲敏劑在腫瘤組織中的ROS生成效率；③ 將聲敏劑負(fù)載抗腫瘤藥物，可以實(shí)現(xiàn)聲動(dòng)力治療和其他治療方法的聯(lián)合，提高腫瘤治療效果，但如何控制藥物在腫瘤部位的精準(zhǔn)釋放還需進(jìn)一步研究；④ 聲敏劑功能單一，其聲動(dòng)力治療效果受限于超聲波輻射，一旦超聲波輻射停止，聲動(dòng)力治療將立馬停止，因此單一聲動(dòng)力治療往往無法徹底治愈腫瘤，復(fù)發(fā)率高。

為更好地促進(jìn)聲動(dòng)力治療的臨床應(yīng)用，還有待于在以下方面進(jìn)行研究：① 設(shè)計(jì)、合成具有更好生物相容性和生物降解性的聲敏劑，確保其降解產(chǎn)物能夠通過人體代謝系統(tǒng)進(jìn)行快速處理。未來該方面的工作可集中在使用生物礦化或生物活性物質(zhì)來制備安全無毒的聲敏劑方面，例如，生物大分子、生物體代謝物、細(xì)胞或有機(jī)基質(zhì)。這些生物礦化或生物活性物質(zhì)來源于生命體，在體內(nèi)代謝快且代謝時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，因此生物礦化或生物活性物質(zhì)形成的聲敏劑有望實(shí)現(xiàn)安全、零毒性、快代謝的聲動(dòng)力治療。② 充分利用腫瘤微環(huán)境的物理特性，提高聲敏劑在腫瘤組織中的ROS量子產(chǎn)率。可將現(xiàn)有聲敏劑和腫瘤微環(huán)境響應(yīng)組分結(jié)合，通過腫瘤微環(huán)境調(diào)控聲敏劑的ROS生成速率，或開發(fā)不依賴氧氣的聲敏劑來提高其聲動(dòng)力性能。③ 通過超聲波精準(zhǔn)控制藥物在腫瘤部位的釋放。使用超聲響應(yīng)的聚合物對(duì)聲敏劑進(jìn)行包封，同時(shí)負(fù)載抗癌藥物，然后在超聲波輻射下，聚合物共價(jià)鍵發(fā)生斷裂，從而促進(jìn)藥物釋放。這種超聲波觸發(fā)的藥物釋放可充分利用超聲波的能量，能夠最大限度地提高聯(lián)合治療的效果。④ 將聲動(dòng)力和其他治療模式聯(lián)合可解決其功能單一的問題，聲敏劑可以彌補(bǔ)其他治療模式的不足或通過協(xié)同作用增強(qiáng)治療效果，而高效的聯(lián)合治療依賴于聲敏劑，開發(fā)高性能的多功能聲敏劑仍是進(jìn)一步提高療效的關(guān)鍵。盡管聲動(dòng)力治療距離臨床應(yīng)用還將面臨一些長期的挑戰(zhàn)，但科學(xué)家們已取得重要進(jìn)展。預(yù)計(jì)未來聲動(dòng)力治療將在臨床癌癥治療，尤其在要求精準(zhǔn)遞送的深層組織，以及在需要跨越血腦屏障的大腦特定區(qū)域的癌癥治療方面取得更多進(jìn)展。